(57)【要約】【課題】被処理体に対するプラズマ処理の面間均一性及び面内均一性を共に高く維持することが可能なプラズマ処理装置を提供する。【解決手段】被処理体Ｗに対して所定のプラズマ処理を行うプラズマ処理装置において、真空引き可能になされた筒体状の処理容器１４と、被処理体を複数枚保持して処理容器内へ収容する保持手段２２と、処理容器の側壁に設けられてプラズマを発生するためのプラズマ室５８と、プラズマ室にプラズマ用ガスを供給するためにプラズマ室に対して処理容器内を通過することなく挿脱可能に設けられたプラズマ用ガス分散ノズル部を有するプラズマ用ガス供給手段４０、４２と、プラズマ室にプラズマを立てるためのプラズマ形成手段６０と、処理容器内とプラズマ室内との間を仕切って設けられると共に、処理容器内へ活性種を含むガスを通す活性種用ガス孔が形成された仕切板７８とを備える。【選択図】図１
2007258580.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理体に対してプラズマにより発生した活性種によって所定のプラズマ処理を行うプラズマ処理装置において、
真空引き可能になされた縦型の筒体状の処理容器と、
前記被処理体を複数枚保持して前記処理容器内へ収容する保持手段と、
前記処理容器の側壁にその長さ方向に沿って設けられてプラズマを発生するためのプラズマ室と、
前記プラズマ室にプラズマ用ガスを供給するために前記プラズマ室に対して前記処理容器内を通過することなく挿脱可能に設けられたプラズマ用ガス分散ノズル部を有するプラズマ用ガス供給手段と、
前記プラズマ室にプラズマを立てるためのプラズマ形成手段と、
前記処理容器内と前記プラズマ室内との間を仕切って設けられると共に、前記処理容器内へ活性種を含むガスを通す活性種用ガス孔が形成された仕切板と、
を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
前記プラズマ室は、前記処理容器内の被処理体収容領域に対応させて前記処理容器の側壁に前記処理容器から外部へ凸状に突出させて設けられることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】
前記処理容器内に対して所定の処理ガスを供給するために前記処理容器内へ挿入された処理容器用ガス分散ノズル部を有する処理容器用ガス供給手段を有することを特徴とする請求項１又は２記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】
前記処理容器の下端部には鍔状のフランジ部が形成されており、前記フランジ部と前記プラズマ室との間には、その内部に前記プラズマ用ガス分散ノズル部を挿通させるための補助挿通管が形成されており、前記プラズマ用ガス分散ノズル部は前記フランジ部の下方より挿脱可能になされていることを特徴とする請求項３記載のプラズマ処理装置。
【請求項５】
前記仕切板に設けられる前記活性種用ガス孔の総面積は、前記プラズマ室の圧力が２〜５Ｔｏｒｒの範囲内になるようなコンダクタンスに設定されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載のプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法において、
前記処理容器内の圧力を０．２〜１Ｔｏｒｒの範囲内に維持すると共に、前記プラズマ室内の圧力を２〜５Ｔｏｒｒの範囲内に維持するようにしたことを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項７】
請求項１乃至５のいずれかに記載のプラズマ処理装置を用いて被処理体に対してプラズマ処理を施すに際して、
前記処理容器内の圧力を０．２〜１Ｔｏｒｒの範囲内に維持すると共に、前記プラズマ室内の圧力を２〜５Ｔｏｒｒの範囲内に維持するように前記プラズマ処理装置を制御するプログラムを記載する記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウエハ等の被処理体にプラズマ成膜やプラズマエッチング等のプラズマ処理を施すようにしたプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、半導体集積回路を製造するためにはシリコン基板等よりなる半導体ウエハに対して、成膜処理、エッチング処理、酸化処理、拡散処理、改質処理、自然酸化膜の除去処理等の各種の処理が行なわれる。これらの処理を特許文献１等に開示されている縦型の、いわゆるバッチ式の処理装置にて行う場合には、まず、半導体ウエハを複数枚、例えば２５枚程度収容できるカセットから、半導体ウエハを縦型のウエハボートへ移載してこれに多段に支持させる。このウエハボートは、例えばウエハサイズにもよるが３０〜１５０枚程度のウエハを載置できる。このウエハボートは、排気可能な処理容器内にその下方より搬入（ロード）された後、処理容器内が気密に維持される。そして、処理ガスの流量、プロセス圧力、プロセス温度等の各種のプロセス条件を制御しつつ例えば所定の熱処理が施される。
【０００３】
ところで、最近にあっては半導体集積回路の更なる高集積化及び高微細化の要求が強くなされており、回路素子の特性の向上の上から半導体集積回路の製造工程における熱履歴も低減化することが望まれている。このような状況下において、縦型の、いわゆるバッチ式の縦型の処理装置においても、ウエハをそれ程の高温に晒さなくても目的とする処理が可能なことから、原料ガス等を間欠的に供給しながら原子レベルで１層〜数層ずつ、或いは分子レベルで１層〜数層ずつ繰り返し成膜する方法が知られている（特許文献２、３等）。このような成膜方法は一般的にはＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）と称されている。
【０００４】
ここで従来の成膜方法として、シラン系ガスであるジクロロシラン（以下、「ＤＣＳ」とも称す）と窒化ガスであるＮＨ３ ガスとを用いてシリコン窒化膜（ＳｉＮ）を形成する場合について説明する。図９は従来の一般的な縦型の成膜装置を示す概略構成図、図１０は各ガスの供給シーケンスと排気弁の動作との関係を示すグラフである。図９に示すように、この成膜装置の縦型の処理容器２内には、ウエハボート４上に多段に支持された複数枚の半導体ウエハＷが収容されている。そして、この処理容器２内に原料ガスとしての例えばＤＣＳ（ジクロロシラン）と反応性ガスとしての例えばＮＨ３ とが供給可能になされている。この処理容器２の排気系６には、排気開閉弁８と真空ポンプ１０とが順次介設されており、容器内雰囲気を真空引きできるようになっている。
【０００５】
このような成膜装置を用いてシリコン窒化膜を形成する場合には、図１０に示すように、ＤＣＳガスとＮＨ３ ガスとを交互に異なるタイミングで供給するようにし、ＤＣＳガスの供給時に原料ガスをウエハ表面に吸着させ、これを次工程のＮＨ３ ガスの供給時に窒化させて極めて薄い原子レベル、或いは分子レベルの膜厚のシリコン窒化膜を形成する、という操作を繰り返して堆積するようになっている。
この場合、原料ガスであるＤＣＳガスの供給時には、排気開閉弁８を極力閉状態に近付けることによって処理容器２内の圧力を高め、この時にウエハ表面に吸着する原料ガスの吸着量をできるだけ多くしてスループットを向上させることが行われている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−６８０１号公報
【特許文献２】特開平６−４５２５６号公報
【特許文献３】特開平１１−８７３４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したような成膜装置にあっては、比較的良好なステップカバレジが得られ、また膜厚の面内及び面間均一性も高くすることができる。しかし、最近にあっては半導体集積回路に用いる膜種の特性から、成膜温度等のプロセス処理時の更なる低温化が求められており、そのために、縦型のバッチ式の処理装置においても、プラズマのアシストを受けることによりウエハ温度が低温でも所望する反応が得られるプラズマ処理装置が提案されている（例えば特開２００６−４９８０９号公報）。
【０００８】
このプラズマ処理装置では、図９に示すような縦型の処理容器２の側部に、プラズマを形成するためのプラズマ室を、この処理容器２のウエハ領域に開放された状態で設け、このプラズマ室で発生した活性種を直接的に処理容器２のウエハ領域へ導入させて例えば成膜処理等を行うようになっている。この場合、ＤＣＳ（ジクロロシラン）とＮＨ３ ガスとを交互に間欠的に供給し、ＮＨ３ ガスはプラズマ室へ導入すると同時にＲＦ（高周波）を印加してプラズマを立てて活性種を作り、ＤＣＳガスは処理容器２内へ導入している。そして、ウエハ表面上にＤＣＳガスが分子レベルで一層、或いは複数層吸着して余分なＤＣＳガスを不活性ガスでパージし、或いは真空引きで排除した後、ＮＨ３ の活性種で低温での窒化を促進して窒化膜を形成する。そして、この一連の工程を繰り返し行って所望の厚さのシリコン窒化膜を形成するようになっている。
【０００９】
ところで、プラズマ処理装置において、一般的には処理容器内の圧力は、ウエハに堆積する膜厚の面内均一性及び面間均一性が共に高くなるようにプロセス時の圧力が設定されるが、上述した従来のプラズマ処理装置にあってはウエハを収容している処理容器（ウエハ収容領域）とプラズマを形成するプラズマ室内との圧力が略同じになっていることから、プラズマ室の圧力が低くなり過ぎてしまい、この結果、プラズマ密度が低下してプラズマの発生効率が著しく低下してしまう、といった問題があった。またプラズマ室内の圧力が低いので、プラズマ室を区画する石英製の壁面が電界により加速されるプラズマイオンによりスパッタされてしまう、といった問題もあった。
【００１０】
そこで、プラズマ室内の圧力を上げるべくプラズマ用ガスであるＮＨ３ ガスの供給量を多くすることも考えられるが、プラズマ室と処理容器内との間の気体のコンダクタンスが非常に大きい状態で両者は連通されているので、プラズマ室内の圧力をそれ程大きくできないか、或るいは処理容器内の圧力が上昇し過ぎて膜厚の面内及び面間均一性を劣化させてしまう恐れがあった。更には、この場合には、供給するＮＨ３ ガス量がかなり増大し、ランニングコストが大幅に高騰してしまう、といった問題もあった。
【００１１】
また処理容器内のウエハを収容するウエハ収容領域とプラズマ室との間を、ガス孔の形成された仕切板で仕切ることも考えられるが、この場合には、上記プラズマ室へガスを供給するプラズマガスノズルは処理容器内を経由した後にプラズマ室内へ導入するように配設しなければならない。この結果、上記した仕切板に上記プラズマガスノズルの導入用の大きな開口を設けなければならず、この場合にもウエハ収容領域とプラズマ室との間を十分に仕切ることができない。
【００１２】
本発明は、以上のようなな問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、プラズマ用ガスの供給量を増大させることなく、プラズマ室と被処理体を収容する処理容器内との間に圧力差を生ぜしめるようにして、プラズマを効率的に発生することができると共に、被処理体に対するプラズマ処理の面間均一性及び面内均一性を共に高く維持することが可能なプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
請求項１に係る発明は、被処理体に対してプラズマにより発生した活性種によって所定のプラズマ処理を行うプラズマ処理装置において、真空引き可能になされた縦型の筒体状の処理容器と、前記被処理体を複数枚保持して前記処理容器内へ収容する保持手段と、前記処理容器の側壁にその長さ方向に沿って設けられてプラズマを発生するためのプラズマ室と、前記プラズマ室にプラズマ用ガスを供給するために前記プラズマ室に対して前記処理容器内を通過することなく挿脱可能に設けられたプラズマ用ガス分散ノズル部を有するプラズマ用ガス供給手段と、前記プラズマ室にプラズマを立てるためのプラズマ形成手段と、前記処理容器内と前記プラズマ室内との間を仕切って設けられると共に、前記処理容器内へ活性種を含むガスを通す活性種用ガス孔が形成された仕切板と、を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置である。
【００１４】
このように、被処理体を収容する処理容器内とプラズマ室との間を仕切るようにして活性種用ガス孔の形成された仕切板を設け、プラズマ室内へは処理容器内を通過（経由）することなく挿脱可能にプラズマ用ガス分散ノズル部を設けるようにしたので、プラズマ室内の圧力が処理容器内の圧力よりも高くなるような圧力差を生ぜしめつつ活性種の含まれたガスをプラズマ室から処理容器内側へ流すことができ、従って、プラズマ室内の圧力をそれそれ最適化でき、プラズマ用ガスの供給量を増大させることなく、プラズマ室と被処理体を収容する処理容器内との間に圧力差を生ぜしめるようにして、プラズマを効率的に発生することができると共に、被処理体に対するプラズマ処理の面間均一性及び面内均一性を共に高く維持することができる。
またプラズマ室内の圧力を高く維持できることから、このプラズマ室を区画する壁面がプラズマイオンによりスパッタされることを抑制することができる。
【００１５】
この場合、例えば請求項２に規定するように、前記プラズマ室は、前記処理容器内の被処理体収容領域に対応させて前記処理容器の側壁に前記処理容器から外部へ凸状に突出させて設けられる。
また例えば請求項３に規定するように、前記処理容器内に対して所定の処理ガスを供給するために前記処理容器内へ挿入された処理容器用ガス分散ノズル部を有する処理容器用ガス供給手段を有する。
【００１６】
また例えば請求項４に規定するように、前記処理容器の下端部には鍔状のフランジ部が形成されており、前記フランジ部と前記プラズマ室との間には、その内部に前記プラズマ用ガス分散ノズル部を挿通させるための補助挿通管が形成されており、前記プラズマ用ガス分散ノズル部は前記フランジ部の下方より挿脱可能になされている。
また例えば請求項５に規定するように、前記仕切板に設けられる前記活性種用ガス孔の総面積は、前記プラズマ室の圧力が２〜５Ｔｏｒｒの範囲内になるようなコンダクタンスに設定されている。
【００１７】
請求項６に係る発明は、前記いずれかに記載のプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法において、前記処理容器内の圧力を０．２〜１Ｔｏｒｒの範囲内に維持すると共に、前記プラズマ室内の圧力を２〜５Ｔｏｒｒの範囲内に維持するようにしたことを特徴とするプラズマ処理方法である。
【００１８】
請求項７に係る発明は、前記いずれかに記載のプラズマ処理装置を用いて被処理体に対してプラズマ処理を施すに際して、前記処理容器内の圧力を０．２〜１Ｔｏｒｒの範囲内に維持すると共に、前記プラズマ室内の圧力を２〜５Ｔｏｒｒの範囲内に維持するように前記プラズマ処理装置を制御するプログラムを記載する記憶媒体である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係るプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
被処理体を収容する処理容器内とプラズマ室との間を仕切るようにして活性種用ガス孔の形成された仕切板を設け、プラズマ室内へは処理容器内を通過（経由）することなく挿脱可能にプラズマ用ガス分散ノズル部を設けるようにしたので、プラズマ室内の圧力が処理容器内の圧力よりも高くなるような圧力差を生ぜしめつつ活性種の含まれたガスをプラズマ室から処理容器内側へ流すことができ、従って、プラズマ室内の圧力をそれそれ最適化でき、プラズマ用ガスの供給量を増大させることなく、プラズマ室と被処理体を収容する処理容器内との間に圧力差を生ぜしめるようにして、プラズマを効率的に発生することができると共に、被処理体に対するプラズマ処理の面間均一性及び面内均一性を共に高く維持することができる。
またプラズマ室内の圧力を高く維持できることから、このプラズマ室を区画する壁面がプラズマイオンによりスパッタされることを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下に、本発明に係るプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
図１は本発明の係るプラズマ処理装置の一例を示す縦断面構成図、図２はプラズマ処理装置（加熱手段は省略）を示す横断面構成図、図３は仕切板を示す平面図、図４は処理容器のフランジ部に対するプラズマ用ガス分散ノズル部の取付状態を示す説明図である。尚、ここでは原料ガスとしてシラン系ガスの１つであるジクロロシラン（ＤＣＳ）を用い、プラズマ用ガスとして窒化ガスの１つであるアンモニアガス（ＮＨ３ ）を用い、上記ＮＨ３ ガスをプラズマにより活性化して活性種を作ってシリコン窒化膜（ＳｉＮ）を成膜する場合を例にとって説明する。
【００２１】
図１及び図２に示すように、プラズマを形成することができるこのプラズマ処理装置１２は、下端が開口された有天井の円筒体状の処理容器１４を有している。この処理容器１４の全体は、例えば石英により形成されており、この処理容器１４内の天井には、石英製の天井板１６が設けられて封止されている。また、この処理容器１４の下端開口部には、処理容器１４の半径方向外方へ拡径された鍔状の肉厚なフランジ部１８がリング状に形成されている。この石英製のフランジ部１８の周囲側には例えばステンレス製のリング状のフランジ補強部材２０が装着されている。
【００２２】
上記処理容器１４の下端の開口部の下方より多数枚の被処理体としての半導体ウエハＷを多段に載置した保持手段としての石英製のウエハボート２２が昇降可能に挿脱自在になされている。従って、処理容器１４内がウエハ収容領域となっている。本実施例の場合において、このウエハボート２２の支柱２２Ａには、例えば５０〜１００枚程度の直径が３００ｍｍのウエハＷを略等ピッチで多段に支持できるようになっている。
【００２３】
このウエハボート２２は、テーブル２６上に石英製の保温筒２４を介して載置されており、このテーブル２６は、処理容器１４の下端開口部を開閉する例えばステンレススチール製の蓋部２８を貫通する回転軸３０上に支持される。
そして、この回転軸３０の貫通部には、例えば磁性流体シール３２が介設され、この回転軸３０を気密にシールしつつ回転可能に支持している。また、蓋部２８の周辺部と処理容器１４の下端部のフランジ部１８との間には、例えばＯリング等よりなるシール部材３４が介設されており、処理容器１４内のシール性を保持している。
【００２４】
上記した回転軸３０は、例えばボートエレベータ等の昇降機構（図示せず）に支持されたアーム３６の先端に取り付けられており、ウエハボート２２及び蓋部２８等を一体的に昇降して処理容器１４内へ挿脱できるようになされている。尚、上記テーブル２６を上記蓋部２８側へ固定して設け、ウエハボート２２を回転させることなくウエハＷの処理を行うようにしてもよい。
【００２５】
上記処理容器１４の下部には、プラズマ化されるプラズマ用ガスとして例えば窒化ガスの１つであるアンモニア（ＮＨ３ ）ガスを供給するプラズマ用ガス供給手段３８と、原料ガスとして例えばシラン系ガスの１つであるＤＣＳ（ジクロロシラン）ガスを供給する第１の処理容器用ガス供給手段４０と、パージガスとして不活性ガス、例えばＮ２ ガスを供給する第２の処理容器用ガス供給手段４２とが設けられる。上記プラズマ用ガス供給手段３８は、後述するプラズマ室内へ向けて延びる石英管よりなるプラズマ用ガス分散ノズル部４４を有している。このプラズマ用ガス分散ノズル部４４には、その長さ方向に沿って複数（多数）のガス噴射孔４４Ａが所定の間隔を隔てて形成されており、各ガス噴射孔４４Ａから水平方向に向けて略均一にアンモニアガスを噴射できるようになっている。このプラズマ用ガス分散ノズル部４４の取り付け状態については、後で詳述する。
【００２６】
また上記第１の処理容器用ガス供給手段４０は、上記処理容器１４の下部の側壁を内側へ貫通して上方向へ屈曲されて延びる石英管よりなる原料ガス分散ノズル４６を有している。上記第１の処理容器用ガス分散ノズル部４６には、その長さ方向に沿って複数（多数）のガス噴射孔４６Ａが所定の間隔を隔てて形成されており、各ガス噴射孔４６Ａから水平方向に向けて略均一に原料ガスであるＤＣＳガスを噴射できるようになっている。また同様に第２の処理容器用ガス供給手段４２も、上記処理容器１４の下部の側壁を内側へ貫通して上方向へ屈曲されて延びる石英管よりなる第２の処理容器用ガス分散ノズル部４８を有している。この第２の処理容器用ガス分散ノズル部４８には、その長さ方向に沿って複数（多数）のガス噴射孔４８Ａ（図２参照）が所定の間隔を隔てて形成されており、各ガス噴射孔４８Ａから水平方向に向けて略均一にＮ２ ガスを噴射できるようになっている。
【００２７】
上記各ノズル部４４、４６、４８には、例えばステンレス製のそれぞれのガス通路５２、５４、５６が接続されている。そして、各ガス通路５２、５４、５６には、それぞれ開閉弁５２Ａ、５４Ａ、５６Ａ及びマスフローコントローラのような流量制御器５２Ｂ、５４Ｂ、５６Ｂが介設されており、ＮＨ３ ガス、ＤＣＳガス及びＮ２ ガスをそれぞれ流量制御しつつ供給できるようになっている。
【００２８】
そして、上記処理容器１４の側壁には、その長さ方向（高さ方向）に沿ってプラズマを発生するためのプラズマ室５８が形成されていると共に、このプラズマ室５８にプラズマを立てるためのプラズマ形成手段６０が設けられている。また、このプラズマ室５８に対向する処理容器１４の反対側には、この内部雰囲気を真空排気するために処理容器１４の側壁を、例えば上下方向へ削り取ることによって形成した細長い排気口６２が設けられている。具体的には、上記プラズマ室５８は、上記処理容器１４の側壁を上下方向に沿って所定の幅で削り取ることによって上下に細長い縦長の開口部６４（図２参照）を形成し、この開口部６４をその外側より覆うようにして断面凹部状になされた上下に細長い例えば石英製のプラズマ区画壁６６を容器外壁に気密に溶接接合することにより形成されている。従って、このプラズマ室５８は処理容器１４から外方へ凸状に突出された状態で設けられることになる。上記開口部６４は、ウエハボート２２に保持されている全てのウエハＷを高さ方向においてカバーできるように上下方向に十分に長く形成されている。
【００２９】
そして、上記プラズマ区画壁６６の両側壁の外側面には、その長さ方向（上下方向）に沿って互いに対向するようにして上記プラズマ形成手段６０の一部を形成する細長い一対のプラズマ電極６８が設けられる。このプラズマ電極６８にはプラズマ発生用の高周波電源７０が給電ライン７２を介して接続されており、上記プラズマ電極６８に例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電圧を印加することによりプラズマを発生し得るようになっている。尚、この高周波電圧の周波数は１３．５６ＭＨｚに限定されず、他の周波数、例えば４００ｋＨｚ等を用いてもよい。
【００３０】
そして、上記プラズマ室５８内をその下方より上方向に延びてくるプラズマ用ガス分散ノズル部４４は、上記プラズマ室５８内の一番奥（処理容器１４の中心より一番離れた部分）に位置され、この一番奥の部分に沿って上方に向けて起立させて設けられている。従って、高周波電源７０がオンされている時に上記プラズマ用ガス分散ノズル部４４のガス噴射孔４４Ａから噴射されたアンモニアガスはここで活性化されて活性種を発生して処理容器１４の中心に向けて拡散しつつ流れるようになっている。
【００３１】
そして上記プラズマ区画壁６６の外側には、これを覆うようにして例えば石英よりなる絶縁保護カバー７４が取り付けられている。また、この絶縁保護カバー７４の内側部分には、図示しない冷媒通路が設けられており、冷却された窒素ガスを流すことにより上記プラズマ電極６８を冷却し得るようになっている。
そして上記プラズマ区画壁６６の開口部６４の外側近傍、すなわち開口部６４の外側（処理容器１４内）の両側には、上記第１の処理容器用ガス分散ノズル部４６と第２の処理容器用ガス分散ノズル部４８とがそれぞれ片側ずつに起立させて設けられており、各ノズル部４６、４８に設けた各ガス噴射孔４６Ａ、４８Ａより処理容器１４の中心方向に向けてＤＣＳガスとＮ２ ガスとをそれぞれ噴射し得るようになっている。
【００３２】
そして、上記プラズマ室５８の開口部６４は、所定の活性種用ガス孔７６の形成された仕切板７８を、その周辺部を開口部６４の区画壁に溶接等することによって完全に閉じられており、プラズマ室５８と処理容器１４内（ウエハ収容領域内）とを区画して完全に仕切るようになっている。上記活性種用ガス孔７６は、上記プラズマ室５８内が上記処理容器１４内よりも圧力が高くなるように圧力差を生ぜしめつつプラズマ室５８から処理容器１４内へ活性種を含むガスを通すように連通されている。
【００３３】
この仕切板７８は、処理容器１４と同じ材料である例えば石英により形成されており、上記活性種用ガス孔７６は、気体のコンダクタンスを小さくするためにここでは図３にも示すように、仕切板７８の長さ方向に沿って分散させて配列するように設けられている。ここでは、上記活性種用ガス孔７６は、２列に上下方向に配列されており、この活性種用ガス孔７６のピッチＰ１は、ウエハボート２２に多段に収容されるウエハＷのピッチと同じに設定され、且つ水平方向においてウエハＷと同じレベルになるように形成されており、活性種を効率的にウエハＷに流すようになっている。
【００３４】
この場合、上述したように、上記活性種用ガス孔７６の形成された仕切板７８は、処理容器１４内へ活性種を供給しつつプラズマ室５８内が処理容器１４内と同圧になることを防止してプラズマ室５８内の圧力が処理容器１４内よりも高くなるようにするために設けたものである。従って、供給する各ガスのガス流量や真空引きの排気能力にもよるが、このプラズマ室５８は、プラズマを効率的に発生させるための圧力、例えば２〜５Ｔｏｒｒ（２６７〜６６７Ｐａ）程度の範囲内に維持するようなコンダクタンスになるように活性種用ガス孔７６は設定されている。この結果、ウエハＷが収容されている処理容器１４内はウエハＷに対するプラズマ処理、すなわちここではプラズマ成膜処理における膜厚の面内均一性及び面間均一性を高く維持できるような圧力、例えば１Ｔｏｒｒ（１３３Ｐａ）以下に維持する。
【００３５】
そのために、ここでは上記活性種用ガス孔７６の開口率は例えば２．０％以下に設定するのがよい。ここで開口率とは、上記プラズマ室５８が上記処理容器５８に対向する面の面積（仕切板７８の面積と略同じ）に対する活性種用ガス孔７６の総和の面積の比率で定義される。具体的には、プラズマ室５８の幅は２５〜３５ｍｍ程度、奥行きは４５〜６０ｍｍ程度、上下方向の長さは５００〜１０００ｍｍ程度に設定される。また活性種用ガス孔７６の直径Ｄ１は、孔数にもよるが例えば５ｍｍ以下、好ましくは１ｍｍ程度である。この直径Ｄ１が１ｍｍよりも小さくなると、電界集中によるホロカソード放電が発生し易くなるので好ましくない。尚、この活性種用ガス孔７６は２列に限定されず、１列、或いは３列以上設けてもよいし、またその形状は円形に限定されず、例えば細長いスリット状に形成してもよい。
【００３６】
一方、上記プラズマ室５８に対向させて設けた排気口６２には、これを覆うようにして石英よりなる断面コ字状に成形された排気口カバー部材８０が溶接により取り付けられている。この排気口カバー部材８０は、上記処理容器１４の側壁に沿って上方に延びており、処理容器１４の上方のガス出口８２に連通されている。そして、この処理容器１４の外周を囲むようにしてこの処理容器１４及びこの内部のウエハＷを加熱する筒体状の加熱手段８４が設けられている。そして、上記ガス出口８２には、真空排気系８６が接続されている。この真空排気系８６は、上記ガス出口８２に連結された排気通路８８を有しており、この排気通路８８の途中には、ゲートバルブよりなる圧力制御弁９０や真空ポンプ９２が順次介設されている。
【００３７】
ここで上記プラズマ用ガス供給手段３８のプラズマ用ガス分散ノズル部４４の取り付け状態について図４も参照して詳しく説明する。図４に示すように、上記プラズマ用ガス分散ノズル部４４は、石英よりなる直管状のノズル本体１００と、このノズル本体１００の下端部に取り付けた石英よりなる容器状のガスヘッド１０２とよりなり、このガスヘッド１０２の側部にはガス穴１０４が形成されている。そして、上記処理容器１４のフランジ部１８には、ここに装着されたステンレス製のフランジ部補強部材２０を、その下方より貫通するようにして凹部状のヘッド収容空間１０６が形成されている。
【００３８】
そして、このヘッド収容空間１０６の天井部の中心に開口部１０７が形成されると共に、上記プラズマ室５８を区画するプラズマ区画壁６６の底部６６Ａにも開口部１０８が形成されており、これらの両開口部１０７、１０８を連通するようにして例えば石英製の補助挿通管１１０が溶接等により接続固定されている。そして、この補助挿通管１１０の内径は、上記ノズル本体１００の外径よりも大きく設定されており、上記ノズル本体１００を上記フランジ部１８の下方より、上記補助挿通管１１０内に挿通させてプラズマ室５８内へ配置するようになっている。そして、上記ガスヘッド１０２が上記ヘッド収容区間１０６内へ収容された状態で、例えばフッ素樹脂（テフロン：登録商標）とステンレスとよりなる弾発性のあるリテーナ１１２を介して、その下方よりネジ部材１１４により押し付け固定するようになっている。
【００３９】
すなわち、上記プラズマ用ガス分散ノズル部４４は、フランジ部１８の下方より、プラズマ室５８に対して挿脱可能になされている。ここでこのヘッド収容空間１０６内の気密性を保持するために、上記ガスヘッド１０２の上側や下側などの適当な箇所には、例えばＯリング等よりなるシール部材１１６、１１８が介設されている。このような構造により上記プラズマ用ガス分散ノズル部４４は、上記処理容器１４内を通過することなく、プラズマ室５８内へ直接的に挿脱可能になされている。
【００４０】
また上記フランジ部１８の側部及びフランジ部補強部材２０の側部には、上記ヘッド収容空間１０６へ連通するようにして貫通孔１２０が形成されており、この貫通孔１２０の途中には段部１２０Ａが形成されている。そして、この貫通孔１２０の段部１２０Ａまで、上記プラズマ用ガス供給手段３８のステンレス製のガス通路５２の先端部が挿入されており、Ｏリング等のシール部材１２２を介して気密に接合されている。これにより、上記ヘッド収容空間１０６内は気密状態に保持されることになり、上記ガス通路５２内を流れてくるＮＨ３ ガスはガスヘッド１０２を介してノズル本体１００内に流れて行くことになる。また、このステンレス製のフランジ部補強部材２０には、冷媒を流すための２本の冷媒通路１２４がその周方向に沿って設けられており、ウエハの熱処理時にこのフランジ部１８の近傍を冷却できるようになっている。
【００４１】
そして、図１に戻って、上述したような装置構成において、上記各ガスの供給、供給停止、ガス流量の制御及び高周波のオン・オフ制御、圧力制御弁９０による圧力制御等は例えばマイクロコンピュータ等よりなる制御手段１２６により行われる。そして、この制御手段１２６は、このプラズマ処理装置１２の全体の動作も制御することになる。またこの制御手段１２６は、上記した装置全体の動作を制御するためのプログラムを記憶する例えばフロッピディスクやハードディスクドライブやフラッシュメモリやハードディスクドライバ等の記憶媒体１２８を有している。
【００４２】
次に、以上のように構成されたプラズマ処理装置を用いて行なわれるプラズマによる成膜方法（いわゆるＡＬＤ成膜）について説明する。上述したように、以下に説明する動作は、上記記憶媒体１２８に記憶されたプログラムに基づいて行われる。ここでは成膜処理として、ウエハ表面に低温で間欠的にプラズマを用いてシリコン窒化膜（ＳｉＮ）を形成する場合を例にとって説明する。各ガスの供給は、図１０に示した場合と同様であり、ＮＨ３ ガスの供給時にプラズマを立ててＮＨ３ の活性種を形成している。
【００４３】
まず、常温の多数枚、例えば５０〜１００枚の３００ｍｍサイズのウエハＷが載置された状態のウエハボート２２を予め所定の温度になされた処理容器１４内にその下方より上昇させてロードし、蓋部２８で処理容器１４の下端開口部を閉じることにより容器内を密閉する。そして処理容器１４内を真空引きして所定のプロセス圧力に維持すると共に、加熱手段８４への供給電力を増大させることにより、ウエハ温度を上昇させてプロセス温度を維持し、上記ＤＣＳガスとＮＨ３ ガスとを第１の処理容器用ガス供給手段４０及びプラズマ用ガス供給手段３８からそれぞれ交互に間欠的に供給し、回転しているウエハボート２２に支持されているウエハＷの表面にシリコン窒化膜（ＳｉＮ）を形成する。この際、ＮＨ３ ガスを単独で供給する時に、全供給時間に亘って、或いは全供給時間の一部において高周波電源（ＲＦ電源）７０をオンしてプラズマを立てるようにする。
【００４４】
具体的には、ＮＨ３ ガスはプラズマ室５８内に位置されたプラズマ用ガス分散ノズル４４の各ガス噴射孔４４Ａから水平方向へ噴射され、また、ＤＣＳガスは処理容器１４内に位置された第１の処理容器用ガス分散ノズル４６の各ガス噴射孔４６Ａから水平方向へ噴射される。この場合、上記各ガスは、連続的に供給されるのではなく、例えば図１０に示すように互いにタイミングをずらして供給する。そして、タイミングをずらしたガス同士は、間に間欠期間（パージ期間）を挟んで交互に間欠的に繰り返し供給され、シリコン窒化膜の薄膜を一層ずつ繰り返し積層する。
【００４５】
上記両ガスは、先にＤＣＳガスを供給して原料ガスをウエハ表面に付着させ、その後にＮＨ３ ガスを供給してウエハ表面に付着している原料ガスを窒化して薄い層状のシリコン窒化膜を形成する、という１サイクルの処理を複数回繰り返し行う。この場合、両ガスの供給動作の間の間欠期間ではパージガスとして第２の処理容器用ガス供給手段４２を用いてＮ２ ガスを供給し、容器内の残留ガスの排出を促進させる。尚、この成膜処理が行われている間は、真空排気系８６によって連続的に真空引きが行われている。またこのガスの供給形態は単に一例を示すだけであって、ガスの供給形態は特に限定されない。
【００４６】
また具体的なプロセス条件としては、吸着工程であるＤＣＳガスの供給期間は１〜１２０秒程度、反応工程（窒化工程）であるＮＨ３ ガスの供給期間は１〜１２０秒程度、パージ期間である間欠期間の長さは１〜３０秒程度であるが、これらの各時間は単に一例を示したに過ぎず、この数値に限定されない。通常、１サイクルによって形成される膜厚は０．５〜１．１Å／サイクル程度であるので、目標膜厚が例えば７００Åであるならば、６００サイクル程度繰り返し行うことになる。
【００４７】
またＤＣＳガスの流量は５０〜２０００ｓｃｃｍの範囲内、例えば１０００ｓｃｃｍ（１ｓｌｍ）であり、プロセス用ガスであるＮＨ３ ガスの流量は１００〜５０００ｓｃｃｍの範囲内、例えば３０００ｓｃｃｍである。またプロセス温度はＣＶＤ成膜処理よりも低い温度であり、具体的には２５０〜７００℃の範囲内、好ましくは３５０〜６００℃の範囲内である。このプロセス温度が２５０℃よりも低いと、反応が生ぜずにほとんど膜が堆積せず、また７００℃よりも高い場合には、膜質の劣るＣＶＤによる堆積膜が形成されてしまうのみならず、前工程ですでに形成されている金属膜等に熱的ダメージを与えてしまう。
【００４８】
またプロセス圧力に関しては、ウエハＷを収容している処理容器１４内の圧力（プロセス圧力）は１Ｔｏｒｒ以下に設定してプラズマ処理であるプラズマ成膜による膜厚の面内均一性及び面間均一性が共に高く維持できるように最適化している。
この場合、処理容器１４内のプロセス圧力が１Ｔｏｒｒを越えて大きくなると活性種の失活が急激に多くなって好ましくなく、成膜速度を考慮すると上記処理容器１４内のプロセス圧力の下限値は０．２Ｔｏｒｒ程度であり、これよりもプロセス圧力が低下すると、生産効率であるスループットが大幅に低下してしまう。
【００４９】
これに対して、プラズマ室５８は、気体のコンダクタンスを小さくするために複数の小さな活性種用ガス孔７６が形成された仕切板７８により、処理容器１４（ウエハ収容領域）内から仕切って区画しており、しかも、プラズマ用ガス分散ノズル部４４は処理容器１４内を経由することなくフランジ部１８の下方側より直接的にプラズマ室５８内へ挿通させるようにしており、従って仕切板７８にコンダクタンスを拡大する原因となるノズル挿通用の余分な開口を設ける必要をなくすようにしているので、このプラズマ室５８内は、上記処理容器１４内よりも高い圧力である例えば２〜５Ｔｏｒｒの範囲内に設定することができる。換言すれば、プラズマ室５８内にてプラズマにより活性化されて発生したＮＨ３ ガスの活性種及びガスは、各活性種用ガス孔７６から抵抗を受けつつ流れて処理容器１４内の各ウエハＷに到達することになる。
【００５０】
このように、仕切板７８にコンダクタンスを拡大する原因となるノズル挿通用の余分な開口を設ける必要がないような構造にした結果、プラズマ室５８内の圧力を比較的高く維持することができるので、このプラズマ室５８内でのプラズマ発生効率を向上させてプラズマ密度を高くすることができる。すなわち、プラズマ室５８内は、ここでのプラズマ発生効率が高くなるようにこの室内の圧力を比較的高く維持できると共に、処理容器１４内は、ここでのウエハＷに対する膜厚の面間及び面内均一性が共に良好になるようにプロセス圧力を低く維持することができる。換言すれば、プラズマ室５８内はプラズマの高効率発生に適した圧力に維持できると共に、ウエハ収容領域は膜厚の高い面間及び面内均一性に適した圧力に維持できることになる。
【００５１】
またプラズマ室５８内の圧力を高く維持できることから、その分、分子の平均自由工程が短くなって、このプラズマ室５８を区画する壁面がプラズマイオンによりスパッタされることを抑制することができる。この場合、高周波電源７０からの供給電力にもよるが、プラズマ室５８内での圧力が５Ｔｏｒｒを越えて大きくなると、プラズマの着火が急激に低下して好ましくない。また、プラズマ室５８の圧力が２Ｔｏｒｒを越えて小さくなると、プラズマの発生効率が急激に低下して好ましくない。
【００５２】
＜プラズマ室とウエハ収容領域（処理容器内）との圧力関係＞
ここでプラズマ室５８と処理容器１４内であるウエハ収容領域との間の圧力関係について検討を行ったので、その検討結果について説明する。
図５は室温におけるプラズマ用ガス分散ノズル部に供給するガス流量（ＮＨ３ ）と各領域の圧力との関係を示すグラフである。図５において、曲線Ａはウエハ収容領域（処理容器内）の圧力を示し、曲線Ｂはプラズマ室５８内の圧力を示す。ここでは上記活性種用ガス孔７６の直径Ｄ１を１ｍｍに設定し、この活性種用ガス孔７６を各ウエハ位置に対応させて１列に形成した場合について検討を行った。この時の仕切板７８に対する活性種用ガス孔７６の開口率は０．３％である。ここで処理容器１４内の真空引きは３０リットル／ｓｅｃの排気速度で連続的に行っている。
【００５３】
このグラフから明らかなように、プラズマ用ガス分散ノズル部４４からガスを供給することにより、プラズマ室１４内の圧力をウエハ収容領域の圧力よりも高くすることができ、ガスの供給量を多くする程、両者間の圧力差を大きくできることが判る。尚、上記仕切板７８を設けないで開口部６４を開放状態とした従来装置の場合には、プラズマ室とウエハ領域の圧力は略同じとなり、曲線Ａのようになる。
【００５４】
＜プラズマ発生効果の評価＞
次にプラズマ発生効率について検討して評価したので、その評価結果について説明する。
図６は４５０℃におけるプラズマ発生用の高周波電圧とプラズマ密度との関係のプラズマ室内の圧力依存性を示すグラフである。ここで横軸は高周波電圧をとり、縦軸はプラズマ密度をとっている。尚、この高周波電圧は高周波電力に対応するものである。プラズマ室６８内の圧力に関しては、グラフ中の曲線Ｃ１が０．５８Ｔｏｒｒ、曲線Ｃ２が０．９９Ｔｏｒｒ、曲線Ｃ３が３．１６Ｔｏｒｒの場合をそれぞれ示している。このグラフから明らかなように、高周波電圧が増加するに従って、各曲線Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３は略２次関数的にプラズマ密度が増加していると共に、圧力が高い程、上昇の度合いが大きくなっている。従って、プラズマ室６８内の圧力を高く設定する程、プラズマ密度が増加し、プラズマ発生効率を高くできることを確認することができた。
【００５５】
＜ＮＨ３ 流量とプラズマ室内の圧力と気体のコンダクタンスとの関係＞
次に、ＮＨ３ 流量とプラズマ室内の圧力と活性種用ガス孔のコンダクタンスとの関係について評価を行ったので、その評価結果について説明する。
図７はＮＨ３ 流量とプラズマ室内の圧力と気体のコンダクタンスとの関係を示すグラフである。ここではウエハ収容領域（処理容器１４内）の圧力を０．１Ｔｏｒｒに維持すると共に、温度を４５０℃に維持している。
【００５６】
図７（Ｂ）は図７（Ａ）中のデータの一部をプロットしたものである。図７（Ａ）では横軸にＮＨ３ ガス流量をとり、縦軸にプラズマ室の圧力をとっている。図７（Ｂ）では横軸にコンダクタンスをとり、縦軸にプラズマ室の圧力をとっている。図７（Ａ）では曲線Ｅ１はコンダクタンスが１５．２×１０−５ｍ３ ／ｓｅｃの場合、曲線Ｅ２はコンダクタンスが９．２６×１０−５ｍ３ ／ｓｅｃの場合、曲線Ｅ３はコンダクタンスが４．９６×１０−５ｍ３ ／ｓｅｃの場合をそれぞれ示す。また図７（Ｂ）では曲線Ｆ１はＮＨ３ 流量が２ｓｌｍの場合、曲線Ｆ２はＮＨ３ 流量が４ｓｌｍの場合をそれぞれ示す。
またここでの活性種用ガス孔７６の開口率は曲線Ｅ１の場合は０．８５％、曲線Ｅ２の場合は０．５４％、曲線Ｅ３の場合は０．３１％である。
【００５７】
図７（Ａ）に示すようにＮＨ３ ガスの流量を増加する程、プラズマ室の圧力は略直線的に上昇している。プラズマ室内の圧力を２〜５Ｔｏｒｒの範囲内に維持するためには、曲線Ｅ１の場合には１．５〜略６ｓｌｍ程度の範囲内、曲線Ｅ２の場合は０．５〜３ｓｌｍ程度の範囲内、曲線Ｅ３の場合は０．２〜１．２ｓｌｍ程度の範囲内に、それぞれ設定するのが好ましいことが確認できた。尚、図７（Ｂ）は上述したように、図７（Ａ）中のＮＨ３ 流量が２ｓｌｍと４ｓｌｍの場合をプロットしている。
【００５８】
＜石英壁エッチング量のプラズマ室内圧力依存性＞
次に、プラズマ室５８を区画する石英製のプラズマ区画壁６６のプラズマ室内圧力依存性について実験を行ったので、その評価結果について説明する。図８は石英壁エッチング量のプラズマ室内圧力依存性を示すグラフである。ここではＲＦ（高周波）パワーを５００Ｗ（ワット）、Ｎ２ の供給量（ＮＨ３ に代えて供給）を４ｓｌｍ、プロセス時間を１０ｍｉｎにそれぞれ設定した。プラズマ室５８内の圧力を、０．５Ｔｏｒｒ、２．０Ｔｏｒｒ、５．０Ｔｏｒｒ、１０．０Ｔｏｒｒにそれぞれ設定して評価を行った。
このグラフから明らかなように、プラズマ室５８内の圧力を増加させる程、エッチング量が少なくなっている。特に、圧力２〜５Ｔｏｒｒの範囲では、エッチング量は３００Å以下になって、良好な結果を示していることが確認できた。
【００５９】
尚、上記実施例では、プラズマ用ガス分散ノズル部４４をフランジ部１８の下方よりプラズマ室５８内の上方に向けて挿脱可能に設けたが、これに限定されず、プラズマ室５８の上方に、これより下方に向けて挿脱可能に設けるようにしてもよい。
また上記実施例ではプラズマ成膜処理を行うに際して、プラズマ用ガスと原料ガスとを交互に供給して成膜する場合を例にとって説明したが、これに限定されず、プラズマ用ガスとして原料ガスを用いる場合もあり、或いは両ガスを同時に供給してプラズマＣＶＤにより成膜する場合もある。いずれにしても、プラズマ室５８と処理容器１４内の圧力がそれぞれの最適な圧力範囲に設定できれば、そのガスの供給形態は問わない。
【００６０】
また本発明は、プラズマ処理としては上述したプラズマ成膜処理に限定されず、プラズマエッチング処理、プラズマ酸化拡散処理、プラズマ改質処理等にも適用できるのは勿論である。
また被処理体としては、半導体ウエハに限定されず、ガラス基板、セラミック基板等にも本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の係るプラズマ処理装置の一例を示す縦断面構成図である。
【図２】プラズマ処理装置を示す横断面構成図である。
【図３】仕切板を示す平面図である。
【図４】処理容器のフランジ部に対するプラズマ用ガス分散ノズル部の取付状態を示す説明図である。
【図５】室温におけるプラズマ用ガス分散ノズル部に供給するガス流量と各領域の圧力との関係を示すグラフである。
【図６】４５０℃におけるプラズマ発生用の高周波電圧とプラズマ密度との関係のプラズマ室内の圧力依存性を示すグラフである。
【図７】ＮＨ３ 流量とプラズマ室内の圧力と気体のコンダクタンスとの関係を示すグラフである。
【図８】石英壁エッチング量のプラズマ室内圧力依存性を示すグラフである。
【図９】従来の一般的な縦型の成膜装置を示す概略構成図である。
【図１０】各ガスの供給シーケンスと排気弁の動作との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６２】
１２  プラズマ処理装置
１４  処理容器
１８  フランジ部
２０  フランジ部補強部材
２２  ウエハボート（保持手段）
３８  プラズマ用ガス供給手段
４０  第１の処理容器用ガス供給手段
４２  第２の処理容器用ガス供給手段
４４  プラズマ用ガス分散ノズル部
４６  第１の処理容器用ガス分散ノズル部
４８  第２の処理容器用ガス分散ノズル部
５８  プラズマ室
６０  プラズマ形成手段
６６  プラズマ区画壁
６８  プラズマ電極
７０  高周波電源
７６  活性種用ガス孔
７８  仕切板
８６  真空排気系
１００  ノズル本体
１０２  ガスヘッド
１１０  補助挿通管
１２６  制御手段
１２８  記憶媒体
Ｗ  半導体ウエハ（被処理体）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2007258580.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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